長(zhǎng)慶靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)關(guān)鍵鉆井技術(shù)

代長(zhǎng)靈　楊　光　薛讓平（中國(guó)石油川慶鉆探工程公司長(zhǎng)慶鉆井總公司）

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長(zhǎng)慶靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)關(guān)鍵鉆井技術(shù)

代長(zhǎng)靈楊光薛讓平
（中國(guó)石油川慶鉆探工程公司長(zhǎng)慶鉆井總公司）

摘要長(zhǎng)慶靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)隨著規(guī)?；_發(fā)逐漸暴露出鉆井中存在的難點(diǎn)，嚴(yán)重影響了儲(chǔ)氣庫(kù)的生產(chǎn)運(yùn)行。為此著重分析了儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井中井眼軌跡控制、311.2 mm井眼側(cè)鉆、煤層碳質(zhì)泥頁(yè)巖鉆井、井眼凈化、215.9 mm水平段鉆井等關(guān)鍵鉆井技術(shù)，為儲(chǔ)氣庫(kù)的持續(xù)開發(fā)奠定一定的鉆井技術(shù)基礎(chǔ)。表8參5

關(guān)鍵詞儲(chǔ)氣庫(kù)側(cè)鉆碳質(zhì)泥頁(yè)巖降摩減阻

0　前言

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井為滿足季節(jié)調(diào)峰和應(yīng)急供氣的功能，需要滿足大流量注采及長(zhǎng)壽命、高安全的要求，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)儲(chǔ)氣層普遍采用大尺寸井眼且儲(chǔ)層專打的井身結(jié)構(gòu)理念。長(zhǎng)慶靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)井部署于靖邊氣田中區(qū)以西，地質(zhì)、地震綜合分析表明目的層馬五13氣層厚度約3 m，儲(chǔ)層物性較好，主力儲(chǔ)層發(fā)育穩(wěn)定，實(shí)施水平井鉆遇主力層概率較高。

目前長(zhǎng)慶靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)已完井3口，隨著儲(chǔ)氣庫(kù)持續(xù)開發(fā)，鉆井中的關(guān)鍵技術(shù)決定著儲(chǔ)氣庫(kù)的鉆井速度、成本消耗和注采開發(fā)進(jìn)度，完成情況見下表1。

表1　靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)完成情況

1　靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)區(qū)地質(zhì)特征與井身結(jié)構(gòu)

1.1地質(zhì)特征

靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)水平段方向馬五12儲(chǔ)層保存較為完整，分布穩(wěn)定，延伸較遠(yuǎn)。結(jié)合鄰井完鉆綜合解釋參數(shù)對(duì)比分析，認(rèn)為該區(qū)塊水平段馬五13氣層發(fā)育較好，且厚度較大，物性較好。井區(qū)完鉆3口井試氣最大無(wú)阻流量為114.6×104m3/d，平均80.4×104m3/d，但該區(qū)完鉆井投產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，氣藏工程評(píng)價(jià)目前該區(qū)地層壓力10.8 MPa，可采儲(chǔ)量采出程度64.6%。

1.2井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)長(zhǎng)慶區(qū)塊儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)及儲(chǔ)氣庫(kù)井生產(chǎn)要求，靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)采用四開四完大井眼尺寸，一開表層采用26″井眼封固流沙層松散地層和水層，防止沖垮井架基礎(chǔ)、技術(shù)套管固井時(shí)水泥漿漏失，二開直井段采用444.5 mm井眼，下入339.7 mm套管封固劉家溝承壓能力較低地層，以避免鉆下部地層時(shí)采用高密度鉆井液壓漏該地層，三開斜井段井段采用311.2 mm井眼，下入244.5 m套管，封固山西、太原、本溪煤層、碳質(zhì)泥頁(yè)巖不穩(wěn)定地層，確保儲(chǔ)氣庫(kù)注采安全、長(zhǎng)期使用，四開水平段采用215.9 mm井眼，采用組合完井管柱。

2　關(guān)鍵鉆井技術(shù)

2.1井眼軌道設(shè)計(jì)技術(shù)

井眼軌道設(shè)計(jì)原則以最短鉆井周期、最大復(fù)合鉆井比例復(fù)合鉆進(jìn)入窗的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念。靖平22-4-2井設(shè)計(jì)靶前距500 m，軌道設(shè)計(jì)采用三增剖面，最大狗腿度設(shè)計(jì)不超過(guò)6°/30 m，為完整244.5 m套管下入和固井創(chuàng)造良好的井眼條件,具體數(shù)據(jù)見表2。

表2　靖平22-4-2井井眼軌道設(shè)計(jì)剖面數(shù)據(jù)

2.2井眼軌跡控制技術(shù)

井眼軌跡控制的重點(diǎn)是斜井段和水平段。311.2 mm大井眼造斜率低，鉆遇山西、太原、本溪大段煤層，煤層鉆進(jìn)呈穩(wěn)斜趨勢(shì)。造斜層位石千峰上部，起始造斜采用三牙輪鉆頭配合立林5LZ228*1.5°中空螺桿，后續(xù)增斜段采用PDC鉆頭+立林5LZ228*1.5°中空螺桿增斜鉆進(jìn)。鉆井中采用滑動(dòng)鉆井和復(fù)合鉆井結(jié)合鉆進(jìn)，最大限度提高復(fù)合鉆井比例，提高斜井段的施工速度，這樣既保證了造斜井段的井身軌跡滿足設(shè)計(jì)要求，將造斜率控制在6°/30 m以內(nèi)，為后期的完井電測(cè)和完井管柱的順利下入創(chuàng)造了良好的井眼條件，同時(shí)高比例的復(fù)合鉆井井段能及時(shí)破壞巖屑床，提高井眼凈化效果,靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)斜井段滑動(dòng)鉆井進(jìn)尺情況見表3。

表3　靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)斜井段滑動(dòng)鉆井進(jìn)尺分析表

靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)井目的層位奧陶系下統(tǒng)馬家溝組，水平段儲(chǔ)層平均厚度2～3 m，高產(chǎn)儲(chǔ)層薄，水平段長(zhǎng)，軌跡控制是目的層鉆遇率和長(zhǎng)水平段能否順利完成的重要因素。施工中水平段采用7LZΦ172 mm（1.0°～1.25°）單彎（Φ208扶正器）+Φ213 mm扶正器鉆具這樣既能保證水平井段的穩(wěn)斜效果，有利于多采用復(fù)合鉆進(jìn)，降低水平井段的摩阻，及時(shí)清除巖屑床，加快水平井段的施工速度；又能及時(shí)調(diào)整井斜的變化，保證目的層的鉆遇率。靖平22-4-2井完鉆水平段長(zhǎng)1177 m，滑動(dòng)鉆井進(jìn)尺113 m，滑動(dòng)鉆井進(jìn)尺比例9.6%。

2.3 311.2 mm井眼側(cè)鉆工藝技術(shù)

（1）井眼側(cè)鉆難點(diǎn)

a.儲(chǔ)氣庫(kù)311.2 mm大井眼側(cè)鉆屬長(zhǎng)慶區(qū)塊首列，側(cè)鉆工藝技術(shù)無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可循，無(wú)法預(yù)測(cè)，可借鑒經(jīng)驗(yàn)少。側(cè)鉆段井眼造斜率必須滿足鉆井工程中軌跡控制要求，確保側(cè)鉆成功后能準(zhǔn)確按照現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)導(dǎo)向要求繼續(xù)增斜鉆井中靶。

b.側(cè)鉆鉆具組合結(jié)構(gòu)必須要保證造斜要求，由于鉆具剛性強(qiáng)度大，井眼側(cè)鉆一定角度后，必須考慮下入鉆具如何正常進(jìn)入側(cè)鉆井眼對(duì)井眼進(jìn)行修整，降低狗腿度后順利鉆進(jìn)，而不在造斜點(diǎn)處由于更換鉆具組合，加強(qiáng)剛性強(qiáng)度后而無(wú)法進(jìn)入側(cè)鉆井眼，劃出新眼。

（2）側(cè)鉆工藝技術(shù)思路

采用打水泥填井側(cè)鉆方式，為確保側(cè)鉆成功，先使用215.9 mm鉆頭側(cè)鉆，側(cè)鉆成功后使用311.2 mm鉆頭擴(kuò)眼、鉆井。鑒于高密度水泥漿容易導(dǎo)致井漏而影響水泥塞的高度或形成懸空塞，導(dǎo)致打塞失敗，根據(jù)靖平22-4-2井的實(shí)際情況，水泥漿比重調(diào)制1.85 g/cm3，確保打水泥成功。

（3）側(cè)鉆工藝關(guān)鍵技術(shù)

a.215.9mm井眼采用三牙輪鉆頭配合7LZ172*1.5°單彎螺桿，在側(cè)鉆過(guò)程中，嚴(yán)格控制機(jī)械鉆進(jìn)速度不大于10～15 min/m，以防止鉆具順?biāo)嗳@進(jìn)。同時(shí)加強(qiáng)地面觀察，定時(shí)撈取巖屑，鑒定地層巖屑與水泥碎屑的比例，當(dāng)?shù)貙訋r屑比例達(dá)到或超過(guò)50%后，逐漸提高鉆進(jìn)參數(shù)以提高機(jī)械鉆進(jìn)速度。

b.215.9 mm井眼造斜率高于311.2 mm，采用215.9 mm鉆頭側(cè)鉆時(shí)狗腿控制在（7°～8°）/30 m3，避免造斜率遠(yuǎn)超出311.2 mm鉆頭造斜率，而導(dǎo)致擴(kuò)眼失敗。

c.215.9 mm井眼側(cè)鉆時(shí)，兩井眼相距1.5～2 m距離即可起鉆更換311.2 mm鉆頭擴(kuò)眼，提高擴(kuò)眼效率，降低擴(kuò)眼鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

d.311.2 mm井眼擴(kuò)眼采用311.2 mmPDC鉆頭配合7LZ228*1.5°單彎螺桿，采用滑動(dòng)鉆井?dāng)U眼方式。擴(kuò)眼結(jié)束后可繼續(xù)斜井段鉆井。由于大井眼鉆時(shí)慢與215.9 mm井眼，311.2 mm井眼擴(kuò)眼鉆時(shí)控制15～20 min/m。

靖平22-4-2井311.2 mm井眼側(cè)鉆2次，側(cè)鉆成功率100%,側(cè)鉆數(shù)據(jù)見下。

表4　靖平22-4-2井311.2 mm井眼側(cè)鉆數(shù)據(jù)

2.4煤層、碳質(zhì)泥頁(yè)巖鉆井技術(shù)

靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)井區(qū)山西組、太原組、本溪組煤層、黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖連續(xù)互層多。靖平22-4-2井三開斜井段山西組、太原組、本溪組共鉆遇35 m的12層煤層及8層黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖和大段黑色泥巖，分布在井深3402～3632 m(斜深)之間，該井段井斜角在48°～75°之間，其中最厚一層黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖斜厚18 m，井斜角73°～75°左右，并且各煤層和碳質(zhì)泥頁(yè)巖間分布著泥巖及砂巖等小夾層。連續(xù)的煤層、泥頁(yè)巖、黑色泥巖互層分布在井斜48°～75°之間，垂直應(yīng)力超過(guò)水平應(yīng)力，極易造成井壁坍塌，同時(shí)影響著軌跡控制和入窗的穩(wěn)定性，鉆井中措施不當(dāng)垮塌嚴(yán)重，施工中會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常性的遇阻。

（1）關(guān)鍵技術(shù)

a.斜井段采用強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵復(fù)合鹽鉆井液體系。在原漿中加入乳化瀝青等封堵材料，加入適量石灰石粉，強(qiáng)化鉆井液封堵護(hù)壁能力。使鉆井液性能達(dá)到：APIFL控制在2～3mL，HTHP失水≦4mL。在打開山西煤層前通過(guò)隨鉆堵漏將密度提高在1.50g/cm3，鉆至本溪底部碳質(zhì)泥頁(yè)巖層前將比重提至1.56 g/cm3，使鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，加強(qiáng)煤系地層中泥巖夾層的防塌，減少泥巖垮塌對(duì)煤層的影響，鞏固各煤系地層間堅(jiān)固的隔擋。

表5　靖平儲(chǔ)氣庫(kù)井煤層及碳質(zhì)泥巖及泥漿性能數(shù)據(jù)表

b.細(xì)化碳質(zhì)泥頁(yè)巖鉆井技術(shù)措施。煤層多與碳質(zhì)泥頁(yè)巖互層，碳質(zhì)泥頁(yè)巖夾層的失穩(wěn)使煤層失去穩(wěn)定的堅(jiān)固的格擋而失穩(wěn)，因此，碳質(zhì)泥頁(yè)巖層的穩(wěn)定有利于煤層的穩(wěn)定，考慮煤巖穩(wěn)定時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮穩(wěn)定碳質(zhì)泥頁(yè)巖夾層。靖22-4-2井碳質(zhì)泥頁(yè)巖鉆井采用同煤層鉆井相同的技術(shù)措施，鉆井中采用低轉(zhuǎn)速、小鉆壓、控時(shí)鉆井，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)錄井鉆遇層位預(yù)告，提前優(yōu)化井身軌跡，鉆至碳質(zhì)泥頁(yè)巖段時(shí)減少滑動(dòng)鉆井井段，降低螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)碰撞和環(huán)空激動(dòng)壓力的影響,靖平儲(chǔ)氣庫(kù)井煤層及碳質(zhì)泥巖及泥漿性能數(shù)據(jù)見下表5。

（續(xù)上表）

c.根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)井區(qū)地層分布趨勢(shì)，調(diào)整靖平22-4-2井鉆井工程設(shè)計(jì)，減少本溪組碳質(zhì)泥頁(yè)巖井段，降低其垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

d.控制本溪底部碳質(zhì)泥頁(yè)巖層鉆遇、鉆出井斜角，降低其垮塌風(fēng)險(xiǎn)。靖平22-4-2井本溪底部存在大段碳質(zhì)泥頁(yè)巖層，該段碳質(zhì)泥頁(yè)巖處理入窗前100m井段，鉆井中曾2次垮塌，斜井段鉆井時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)錄井層位預(yù)告，提前優(yōu)化井身軌跡，降低進(jìn)入該層井斜角，減少鉆遇井段，安全的完成了斜井段的施工,靖平22-4-2井本溪底部碳質(zhì)泥頁(yè)巖鉆遇數(shù)據(jù)見表6。

表6　靖平22-4-2井本溪底部碳質(zhì)泥頁(yè)巖鉆遇數(shù)據(jù)

2.5井眼凈化技術(shù)

（1）用168.3 mm鉆具代替139.7 mm鉆具，降低鉆井中壓耗，保持穩(wěn)定的鉆井排量，提高泥漿上返速度，增強(qiáng)井眼凈化效果。

靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)井斜井段采用311.2 mm井眼，井眼凈化不充分，易形成巖屑床從而導(dǎo)致鉆具扭矩和摩阻增大，鉆速降低以及卡鉆等井下復(fù)雜情況，直接影響鉆井、電測(cè)、下套管和固井作業(yè)的正常進(jìn)行。靖平22-4-2井鉆井中采用168.3 mm鉆具，降低了環(huán)空壓耗，提高泥漿上返速度，增強(qiáng)井眼凈化效果。該井使用168.3 mm鉆具，環(huán)空壓耗降低24%，泥漿上返速度提高12.92%，排量增加14.5%。一定程度上解決了儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井中泵壓高、泥漿上返速度低、攜砂難的問(wèn)題,168.3 mm、139.7 mm鉆具環(huán)空返速見表7。

表7　168.3 mm、139.7 mm鉆具環(huán)空返速分析表

（2）提高泥漿比重，增加巖屑運(yùn)移動(dòng)力。隨著鉆井液密度的增加，固液兩相的密度差減小，井液中的平均運(yùn)行距離增大，巖屑顆粒在鉆井液中的有效質(zhì)量下降，從而增大了巖屑運(yùn)移的動(dòng)力。在同樣條件下，巖屑在鉆在同樣的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)移出的環(huán)空巖屑量增多，最終降低了環(huán)空巖屑總濃度，達(dá)到清洗井眼的目的。

靖平22-4-2井第二次側(cè)鉆前井斜37°時(shí)將泥漿比重提至1.45 g/cm3，鉆至山西組時(shí)將比重提至1.50 g/cm3，完鉆時(shí)比重提至1.56 g/cm3，大大降低了鉆井中巖屑床的面積。

2.6鉆具失效預(yù)防措施

靖平22-4-2井斜井段鉆井中曾多次出現(xiàn)斷鉆具事故，最終無(wú)法打撈填井側(cè)鉆。為了防止儲(chǔ)氣庫(kù)施工井在施工過(guò)程中出現(xiàn)井下鉆具事故，安全快速鉆井,主要采取了如下關(guān)鍵措施：

（1）優(yōu)化井身軌跡，在滿足井眼軌跡控制條件下，增加復(fù)合鉆井井段，確保井眼軌跡平滑，降低鉆井中的扭矩，減少井下鉆具疲勞。

（2）優(yōu)化鉆具組合，使用168.3 mm加重鉆桿，提高大斜度井段鉆具受力能力，降低鉆具刺、斷風(fēng)險(xiǎn)。

（3）調(diào)整鉆井液性能，提高鉆井液的攜砂性能、潤(rùn)滑性能，滿足水平井的施工要求。

2.7水平段防摩減阻技術(shù)

大井眼長(zhǎng)水平段隨著水平段長(zhǎng)逐漸延伸，鉆遇巖性的多樣性，存在著摩阻大，扭矩大，鉆壓不能有效傳遞等技術(shù)難點(diǎn)。鉆井中有效控制摩阻和扭矩是確保長(zhǎng)水平段順利完成的重要因素。

2.8水平段防摩減阻關(guān)鍵技術(shù)

（1）靖平22-4-2井水平段采用泥漿體系，鉆井中強(qiáng)化四級(jí)固控設(shè)備，提高固控效率。使用高頻直線式振動(dòng)篩和變頻高速離心機(jī)，提高了鉆井液的固控能力，降低了有害固相，促進(jìn)了鉆井液的性能優(yōu)化。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)導(dǎo)向要求，軌跡調(diào)整控制技術(shù)采用勤、少原則，根據(jù)實(shí)測(cè)井斜數(shù)據(jù)及時(shí)采用滑動(dòng)鉆井方式控制軌跡，滑動(dòng)鉆井段長(zhǎng)控制3～4 m，保證儲(chǔ)層鉆遇率的同時(shí)保證井眼軌跡平滑。

通過(guò)優(yōu)質(zhì)的泥漿性能和平滑的井眼軌跡控制技術(shù)，靖平22-4-2井水平段鉆井中無(wú)拖壓現(xiàn)象，避免了滑動(dòng)鉆井中調(diào)整工具面的時(shí)間，極大的提高了水平段的機(jī)械鉆速，同比鄰井靖平22-4-1、靖平22-4-3機(jī)械鉆速有了大幅度提高。靖平22-4-2井2014年9月23日四開水平段鉆井,鉆至10月5日2趟鉆鉆進(jìn)進(jìn)尺1050 m,后由于井下復(fù)雜提前完鉆,完鉆井深4887 m（表8）。

表8　水平段機(jī)械鉆速分析表

3　結(jié)論與建議

（1）優(yōu)化儲(chǔ)氣庫(kù)井身結(jié)構(gòu)，加快鉆井速度，降低成本消耗，提高注采使用速度。合理的井身結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)氣庫(kù)能否成功鉆完和快速注采的關(guān)鍵因素。目前長(zhǎng)慶儲(chǔ)氣庫(kù)普遍采用四開大井眼井身結(jié)構(gòu)，鉆井中需要解決諸多難題，鉆井速度受到一定程度的制約，延緩了注采開發(fā)進(jìn)度。

（2）加強(qiáng)井下鉆柱優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論支撐。大井眼水平井鉆柱優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心是在對(duì)下部鉆具組合的特性和造斜能力能滿足井眼軌跡控制需要的前提下，如何降低摩阻和扭矩，如何減少井下鉆柱可能產(chǎn)生的疲勞失效問(wèn)題。隨著大井眼水平段的延長(zhǎng)，加上地質(zhì)導(dǎo)向的要求，摩阻、扭矩變化較大，大大增加了鉆具失效風(fēng)險(xiǎn)。

（3）定期召開儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井專項(xiàng)會(huì)議，組織公司專家、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)、承鉆井隊(duì)召開專題會(huì)議，針對(duì)鉆井工程中出現(xiàn)的問(wèn)題集中討論分析解決，鉆完單井后總結(jié)工藝技術(shù)，分享工藝技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井工藝技術(shù)，為后續(xù)規(guī)?；_發(fā)長(zhǎng)慶油田儲(chǔ)氣庫(kù)打下堅(jiān)持的技術(shù)基礎(chǔ)。

（4）儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井工藝技術(shù)屬長(zhǎng)慶油田難度較高鉆井技術(shù)，鉆井過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)井下復(fù)雜、事故，應(yīng)針對(duì)集中、頻繁發(fā)生的復(fù)雜事故建立緊急處理預(yù)案，形成可執(zhí)行規(guī)范制度，以便能夠快速準(zhǔn)確有針對(duì)性的解決異常情況。

（5）針對(duì)儲(chǔ)層地層壓力較低的井區(qū)，采取先注氣提高壓力再鉆井的操作程序，以降低鉆井時(shí)井下復(fù)雜，減少對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

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（修改回稿日期2015-06-09編輯文敏）

作者簡(jiǎn)介代長(zhǎng)靈，男，1980年出生，漢族，鉆井工程師；2004年7月畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，學(xué)士，主要從事天然氣水平井鉆井研究與設(shè)計(jì)工作。地址：（710018）陜西省西安市未央?yún)^(qū)151號(hào)長(zhǎng)慶大廈2107室。電話：15097121706。E-mail:280411481@qq.com